时间: 2022-11-25 12:01:34 | 来源: 喜蛋文章网 | 编辑: admin | 阅读: 92次
两块表面洁净的金属,在高真空度的条件下紧密贴在一起,时间久了以后就会粘合到一起,这叫做“冷焊现象”。
物理学告诉我们,原子的微观热运动,在宏观层面就是温度;热力学和量子力学都告诉我们,绝对零度不可达到,微观层面的热运动始终存在。
固体金属的原子之间由化学键连接,两块金属在高真空状态下接触,由于它们之间没有其他物质的阻碍,两侧金属的原子在热运动提供的动能下,会发生随机的漂移,然后在表面层缓慢地相互渗透和扩散,最终导致两块金属粘在一起,这就是冷焊现象。
非金属物质,不同的金属之间,也可能发生冷焊现象,主要看材料本身的延展性,以及两侧材料的相容性,接触压力等等。
在空气中的两块金属很难发生冷焊现象,这是因为空气中的金属很容易在表面生成氧化物,阻碍了金属原子的相互渗透,另外接触时由于表面不可能绝对光滑,空气中的气体分子也会阻碍金属原子的相互渗透,但是在真空中,冷焊现象将会很明显。
冷焊现象对人类有好处也有坏处,比如在1989年,美国NASA发射了伽利略号木星探测器,在离开地球时发现飞船的主天线无法完全打开,主天线一共18根,有3根无法打开,好在备用天线能用。
这导致飞船与地球之间的传输效率大打折扣,本来主天线完全打开能以每秒134K的速度向地球传送信息的,现在每秒只能传输大约1K的数据,正是因为该故障,伽利略号木星探测器不得不放弃几个预先安排好的任务,比如对木卫一的探测等等。
经过研究发现,伽利略号主天线无法完全打开的原因正是“冷焊现象”,伽利略号本定于1986年发射的,后来因为挑战号失事发射时间被推迟,经地面的多次改造和长时间的储存,折叠主天线由于冷焊现象粘在一起,导致升空后无法正常打开,经此教训之后,以后的航天器都会对可能发生冷焊的地方进行特殊处理。
现在,人们根据冷焊发生的原理,发明了各种各样的冷焊机,比如手钳冷焊机无需使用电能也能焊接,原理是施加压力把金属(铝、铜、铂、锡等等)表面积扩大,使原来阻碍焊接的保护膜破裂,然后在负载的作用下,让洁净的金属基质紧密接触并融合,实现原子层面的连接。
这种现象是存在的,在学术和技术上称为“冷焊”,虽然还不清楚人类有没有在太空中做过这样的实验,但是这样的事情却在太空中发生过。美国人发射的一架探测器曾经发生过这样的事情,这架探测器本来是要去探测几大行星的,在探测完金星水星之后,其天线旋转轴就被冷焊焊住了,没办法只好启用了备用天线,但是效率只有主天线的百分之一。
那么为什么会发生这种现象呢?其实道理也很简单,就是两块相同的金属在太空真空环境下接触的时候,其两个接触面表层的原子之间没有任何阻挡,那么在接触的时候两个表层上的原子就会相互抓住对方,使之成为一体,冷焊现象就是这样发生的。美国人的探测器之所以出现那种状况,就是因为其旋转轴的金属连接处处理的太简单,探测器的进入太空之后,经过一段时间的使用,上面的氧化层被磨掉了,在暂停使用的时候,冷焊现象就发生了。
那么这地球上为什么很少看到这种现象呢?其实主要有两个原因,首先就是金属的裸露面会迅速氧化,形成一个氧化层,这样两块金属在一块的时候,会因为氧化层的阻隔而无法发生冷焊现象,还有一个原因就是地球上空气的存在会使两块金属之间有所阻挡,所以两块金属的金属原子难以直接相连,那么冷焊现象当然就不容易发生了。
但是地球上也并不是绝对不会发生这种现象,如果两块金属的表层不氧化,并且之间没有空气等东西隔开的话,把它们放到一起挤压一下,使其接触面的原子充分的接触,也是会发生冷焊现象的。
这个现象在太空 探索 中非常重要,其实科学上有一个专有名词来形容这种现象,“冷焊”。传统的焊接需要高温将两块等待焊接的金属融化,熔融状态下的金属相互扩散、融合到一起,降温之后固化连接到一起。
冷焊则是指在常温甚至低温状态下,两块金属碰到一起后融为一体的现象。对于这种现象,费曼曾经开玩笑地形容说:因为两块金属中的原子搞不清楚自己到底属于哪一块金属,于是干脆融合到了一起。
这自然是玩笑话,原子不会有意识,但金属原子的扩散确实真实发生的。通常情况下我们观察不到这种现象,是因为地球表面充满了大气,将两块金属放到一起,他们之间还是会有隔层,例如氧化层或者空气层。这些隔层组织了金属原子的自由扩散,使得通常情况下两块金属无法自动合为一体。但在太空之中,没有氧化层和气体层的阻隔,两块金属的原子可以自由扩散,无缝衔接到一起后,于是就会发生“冷焊”现象。
这种现象对太空 探索 影响很大。例如上世纪美国发射的伽利略号木星探测器,就是由于发生了冷焊现象,造成天线无法按计划打开,信号传导大受影响。因此为了防止这种现象发生,折叠装置、传动装置之间都会使用油类或其他物质相互隔开,避免两块分离的金属靠在一起时融合到一起,影响正常功能。
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